抗体医薬基礎知識・培養

CHO細胞のアンモニア蓄積を抑える：発生源と抑制策

Proglenth 編集部2026-07-05約9分で読めます

アンモニア（培地中では主にアンモニウムイオンの形）は、CHO培養で避けて通れない代謝副産物です。乳酸とならんで培養後半に溜まりやすく、増殖や生存率を落とし、抗体の品質にも影を落とします。培養が進むほど濃度が上がり、生産キャンペーンの終盤には10 mM程度に達することも報告されています。

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やっかいなのは、発生源が「細胞の代謝」だけではない点です。グルタミンは細胞が代謝で分解するだけでなく、培地中で自発的に分解してアンモニウムを放出します。この分解は温度とpHに依存して進むため、フィードの組成や供給のしかた次第で、細胞が使う前に無駄なアンモニアが生まれてしまいます。

本稿では、CHO培養でアンモニアがどこから来るのか、それが細胞と糖鎖に何をもたらすのか、そして発生源を断つ・薄める・逃がすという三つの方向から抑制策を整理します。抗体生産の主力であるCHO細胞のフェドバッチを念頭に置いて進めます。

アンモニアはどこから来るのか

アンモニアの主な出どころは、グルタミンをはじめとするアミノ酸の代謝と、グルタミン自身の化学分解です。順に見ていきます。

グルタミンの代謝分解：細胞はグルタミンを取り込み、グルタミンをグルタミン酸とアンモニウムへ加水分解します。エネルギー源としても窒素源としても重要な反応ですが、その副産物としてアンモニアが出ます。
グルタミンの化学分解：グルタミンは培地中で自発的に分解し、ピロリドンカルボン酸とアンモニウムを生じます。分解速度は温度とpHに依存し、37℃前後の培養条件では無視できない量になります。
その他アミノ酸の脱アミノ：グルタミン以外のアミノ酸の代謝も、程度は小さいものの窒素をアンモニアとして放出します。

つまり、グルタミンを「多めに、まとめて」与える設計は、細胞が使い切る前に化学分解で目減りし、その分がアンモニアとして残るという二重の損になりやすいです。 アンモニアの発生源の中心はグルタミンの代謝と化学分解の両方にあります 。

POINT

グルタミンは細胞が代謝で分解するだけでなく、培地中でも自発的に分解してアンモニアを出します。抑制策は「代謝を減らす」だけでなく「化学分解を減らす」の両輪で考えると整理しやすくなります。

細胞と糖鎖への影響

アンモニアが溜まると、二つの面で不利が生じます。細胞そのものへの毒性と、抗体の品質（とくに糖鎖）への影響です。

細胞側では、アンモニウムイオンが電気化学的な勾配を乱し、細胞内のpHを動かします。これが増殖の阻害や生存率の低下につながります。文献では、増殖に対する阻害の目安（IC50）が数十mMの範囲で報告されており、実培養で到達しうる濃度帯と重なります。値そのものは細胞株や条件で動くため、絶対値というより「培養後半に効いてくる負荷」として捉えるのが現実的です。

品質側では、糖鎖への影響が知られています。アンモニウムはゴルジ体のpH環境や糖転移酵素の働きに関わり、シアル酸付加（シアリル化）の低下や糖鎖の不均一化を招くことが報告されています。糖鎖は抗体の性質を左右するため、力価を追ってアンモニアを見逃すと、後工程で品質の問題として跳ね返ります。 アンモニアは増殖・生存だけでなく、シアリル化など糖鎖の質にも影響します 。

なお、同じ代謝副産物でも乳酸とは効きどころが違います。乳酸はpHと浸透圧を通じて全体を乱すのが主で、蓄積を減らす設計とは別の勘どころがあります。乳酸側の考え方はCHO培養の乳酸蓄積と代謝シフトにまとめています。

抑制策1：グルタミンの代替と発現系

発生源を断つ、もっとも効くアプローチが、グルタミンの与え方そのものを変えることです。

グルタミン酸への置き換え：グルタミンの一部をグルタミン酸に置き換えると、アンモニアの蓄積を抑えられることが報告されています。文献では、置換によりアンモニア蓄積が減り、力価やガラクトシル化がむしろ改善した例もあります。ただし低減の度合いは細胞株や濃度条件で幅があり、CHOは内在のグルタミン合成酵素（GS）が乏しい株もあるため、グルタミン酸だけで細胞が回るかは株依存です。
ジペプチドの利用：L-アラニル-L-グルタミンのような安定なジペプチドを使うと、遊離グルタミンの化学分解を抑えつつ細胞にグルタミンを供給できます。市販の安定型グルタミン供給品はこの考え方に基づきます。
GS発現系の活用：GS（グルタミン合成酵素）を導入した発現系では、細胞がグルタミン酸とアンモニアからグルタミンを合成できます。この反応はアンモニアを消費する向きに働くため、培地中のアンモニア蓄積を和らげる効果が期待できます。GS系は選択マーカーとしても広く使われており、グルタミン非依存の培養設計と相性がよいです。

置き換えは万能ではなく、細胞株・培地・力価のバランスを見ながら決めます。GS系を使うかどうかは細胞株構築の段階で決まる話なので、開発の早い時期に代謝設計まで見据えておくと後が楽になります。

抑制策2：フィード設計で薄める

グルタミンを完全には外せない場合でも、与え方の工夫でアンモニアを抑えられます。鍵は「化学分解する前に細胞が使い切る」状態に近づけることです。

低濃度で連続的に：グルタミンを高濃度で一括投入すると、余った分が化学分解でアンモニアに変わります。フェドバッチで低濃度を継続的に供給すれば、培地中の遊離グルタミン濃度を低く保て、化学分解の余地を減らせます。
二段階のフィード：まずグルタミン含有の基礎培地で立ち上げ、途中から代替物（グルタミン酸など）へ切り替える設計も報告されています。文献では、こうした置き換えでアンモニアを大きく減らしつつ力価を伸ばした例があります。
TCA回路中間体の添加：α-ケトグルタル酸などのTCA回路中間体を補うと、乳酸とアンモニアの両方を抑えつつ比生産性や力価を改善できた報告があります。代謝の流れを副産物側から本流へ戻すイメージです。

フィード設計はグルタミンだけでなく糖や添加剤とも絡むため、一因子ずつ振ると相互作用を見落とします。複数因子を同時に最適化する進め方は培地開発・最適化とDoEを参照してください。

抑制策3：pCO2とpHで逃がす・整える

発生したアンモニアそのものを外部で除くのは難しいものの、pCO2とpHの管理は間接的にアンモニアの影響を和らげます。

アンモニアは培地中でアンモニウムイオンと非イオン型のアンモニアの平衡にあり、pHが高いほど非イオン型の割合が増えます。非イオン型は細胞膜を通りやすく毒性に関わるため、pHを不必要に高くしないことが一つの目安です。一方でpHはCO2の溶存量と結びついており、大スケールではCO2が抜けにくくpCO2が上がりやすい傾向があります。

pCO2が高止まりすると、pH制御のために塩基や重炭酸塩を足すことになり、浸透圧の上昇や代謝の乱れを招きます。撹拌速度やヘッドスペースの通気を上げてCO2を積極的に抜く設計は、pHを狙いの範囲に保ちつつ副産物の負荷を抑える助けになります。 pHとpCO2の管理は、アンモニアそのものを除くというより、その毒性と溶存環境を整える役割です 。

これらは単独で効くというより、グルタミン代替やフィード設計と組み合わせて初めて全体が回ります。発生源を減らし、薄め、環境を整える、という三つを重ねる発想が実務的です。

まとめ

CHO培養のアンモニアは、グルタミンの代謝分解と培地中での化学分解が主な発生源です。溜まれば増殖・生存を落とし、シアリル化など糖鎖の質にも影響します。抑制の基本は三つの方向から考えられます。グルタミン酸への置き換えやGS発現系で発生源を断つこと、低濃度・連続や二段階のフィードで化学分解する前に使い切ること、そしてpCO2とpHの管理で毒性と溶存環境を整えることです。いずれも単独では限界があり、細胞株・培地・工程条件と一体で設計するのが現実的な進め方になります。

参考文献

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